Phase-Space Optics

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出版者:McGraw-Hill Education
作者:Markus Testorf
出品人:
页数:416
译者:
出版时间:2009-9-1
价格:GBP 137.99
装帧:Hardcover
isbn号码:9780071597982
丛书系列:
图书标签:
  • 光学
  • 光学
  • 相位空间
  • 光学工程
  • 量子光学
  • 经典光学
  • 波传播
  • 傅里叶光学
  • 光束动力学
  • 光学设计
  • 物理光学
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具体描述

A comprehensive cross section of phase-space optics This definitive volume highlights an elegant, unified approach to optical rays, waves, and system design using cutting-edge phase-space techniques. Phase-Space Optics: Fundamentals and Applications details theoretical concepts of phase space as well as novel engineering applications in specific disciplines. This authoritative guide includes full coverage of sampling, superresolution imaging, and the phase-space interpretation of ultrafast optics. Work with Wigner optics, analyze phase-space equations, develop wave propagation models, and gain a new understanding of optical sources and systems. Discover how to: Describe optical phenomena using Wigner and ambiguity functions Perform phase-space rotations using ray transformation matrices Influence the trade-off between pupil size and depth of field Analyze and design optical signals using the Radon-Wigner transform Accomplish superresolution by squeezing phase space Interpret the intimate relationship between radiometry and coherence Use basic algebra to discover self-imaging, Fresnel diffraction, and the Talbot effect Develop discrete models, sampling criteria, and interpolation formulae Work with ultrafast processes and complex space-time structures

好的,以下是一份关于“聚焦与衍射:经典光学原理的现代诠释”一书的详细图书简介,该书专注于光学领域的基础理论、实验技术和前沿应用,与您提到的《Phase-Space Optics》主题无关: --- 聚焦与衍射:经典光学原理的现代诠释 一本深入探讨光波行为、成像理论与先进光场调控技术的权威指南 导言:光学的回归与演进 在信息技术、生物医学和精密制造等多个领域迅猛发展的今天,对光(电磁波谱中的可见光、红外和紫外部分)的精确控制和理解比以往任何时候都更为关键。然而,支撑这一切的基石依然是十九世纪奠定的经典光学理论——惠更斯原理、麦克斯韦方程组的波动解以及傅里叶光学。本书《聚焦与衍射:经典光学原理的现代诠释》并非对这些经典理论的简单重复,而是旨在以现代数学工具和计算能力为支撑,对这些核心概念进行一次彻底的、深入的、面向工程应用的重构与深入挖掘。 本书的目标读者包括高年级本科生、研究生、光学工程师、材料科学家以及任何希望在波动光学、成像系统设计或光束整形领域建立坚实理论基础的专业人士。我们摒弃了许多教科书中常见的、仅侧重于几何光学的简化处理,而是坚持从波动性的角度,系统性地阐述光束的传播、聚焦特性以及衍射极限的本质。 第一部分:波动光学基础的深度重访 (Fundamental Wave Optics Revisited) 本部分构建了理解后续所有光学现象的数学框架。我们从麦克斯韦方程组在各向同性、无损介质中的简化形式出发,重点分析了平面波和球面波的性质,这些是构建更复杂光场的基石。 严格的波动传播模型: 我们详细推导了亥姆霍兹方程,并展示了如何利用它来描述在自由空间中光场的传播。重点内容包括: 傅里叶变换与空间频率: 将光场分解到空间频率域是理解衍射和相干性的核心。本书利用二维傅里叶变换,清晰阐述了空间频率与光波矢量(k-vector)之间的关系,并引入了空间带宽积(Spatial Bandwidth Product)的概念,为理解成像系统的分辨率限制奠定了基础。 惠更斯-菲涅耳原理的现代应用: 摒弃传统的近似形式,我们使用更精确的积分形式来描述波面上的点源对远场光强的贡献。这对于理解衍射光栅和菲涅耳透镜的设计至关重要。 光束的解析表达: 我们深入探讨了高斯光束(Gaussian Beams)——现代激光系统中最常见的光束形态——的精确解析解。详细分析了光束的束腰半径、束腰位置以及束腰发散角之间的固有关系,并解释了这些参数如何通过ABCD矩阵进行有效传播。 第二部分:衍射理论与成像系统(Diffraction Theory and Imaging Systems) 本部分是全书的核心,它将基础的波动方程与实际的光学成像系统紧密联系起来。我们聚焦于如何从物理层面理解“聚焦”和“衍射”这两个对立统一的概念。 傅里叶光学在成像中的统治地位: 1. 透镜作为傅里叶变换器: 我们清晰地证明了,在傍轴近似和薄透镜模型下,透镜的后焦平面天然地对应于物光场的傅里叶变换。这极大地简化了对复杂物光场通过系统后形成的像的分析。 2. 衍射极限与点扩散函数(PSF): 基于阿贝衍射理论,本书严格推导了有限孔径对理想点光源成像的影响,得到了艾里斑(Airy Pattern)的精确表达式。我们引入了调制传递函数(MTF)的概念,并计算了理想光学系统的MTF,为量化系统性能提供了严格的标准。 3. 有限孔径下的成像与采样: 探讨了采样效应(如数字传感器)如何与衍射效应共同作用,形成了数字成像系统的最终性能指标。 高级衍射现象: 光栅与相控阵列: 详细分析了周期性结构(如衍射光栅)如何通过布拉格条件控制光束的方向,并将其扩展到现代的光束整形器和空间光调制器(SLM)的工作原理分析中。 第三部分:先进光束调控与光场整形(Advanced Beam Shaping and Control) 本部分将理论应用于前沿的光场操纵技术,展示了如何利用对光波相干性和强度的精确控制来实现特定的功能。 非高斯光束的构造: 拉盖尔-高斯光束(LG Beams): 深入研究了具有轨道角动量(OAM)的涡旋光束,推导了其数学形式,并分析了它们在光通信和精密测量中的应用潜力。 贝塞尔光束与非衍射性: 详细解析了如何通过特定的空间滤波器或相位板生成具有自再聚焦特性的贝塞尔光束,并讨论了其在光镊和光束传输中的优势。 计算光学与实时调控: 本书最后关注现代计算光学的前沿进展。我们探讨了如何利用逆向设计方法,通过计算机算法设计出具有特定远场或近场分布的相位板或衍射元件。这包括: 效率优化: 讨论了如何设计用于特定功能的衍射元件(如多焦点分离单元)时,最大化所需光束的能量效率。 波前整形技术概述: 简要介绍了基于自适应光学或可编程空间光调制器的波前控制系统,展示了实时修正像差和动态重塑光场的能力。 总结与展望 《聚焦与衍射:经典光学原理的现代诠释》是一部结构严谨、内容详实的工具书。它避免了过于抽象的哲学讨论,而是专注于提供可操作的数学模型、清晰的物理图像和可量化的工程指标。通过本书,读者将不仅能“看到”光是如何聚焦和衍射的,更能“计算”出任何给定光学系统将如何塑造光场,从而能够设计出超越衍射极限的下一代光学器件与成像系统。本书对理论的严谨性要求,保证了其在当前快速发展的光学工程领域中,仍将作为一本长期有效的参考资料。

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从工具性和实践指导的角度来看,这本书的价值体现得尤为突出。它并非仅仅停留在纯粹的数学推导和现象描述上,而是深入到了如何将这些理论转化为可操作的计算模型。书中详细介绍了如何构建和优化用于解决特定问题的算法框架,并且对于数值方法的选择、参数的敏感性分析以及误差的量化处理,都给出了详尽的讨论和建议。这部分内容写得极其实在,每一个步骤的考量都基于长期的工程经验,而不是空泛的理论假设。对于那些需要将实验室理论转化为实际系统设计的人来说,这本书无疑是一本绝佳的“操作手册”。我特别喜欢其中关于“模型简化与适用范围界定”的章节,作者坦诚地指出了不同理论近似在现实世界中可能产生的偏差,这比那些只谈成功的完美模型要可靠得多,它教会了我如何带着敬畏心去使用工具,理解工具的局限性。

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这本书的装帧设计确实令人眼前一亮,硬壳封面采用了哑光处理,手感温润,书名和作者信息烫印的字体线条流畅,透露出一种低调的专业感。内页纸张选择了略带米黄色的高克重纸张,不仅有效减少了阅读时的眼部疲劳,也让印刷的文字和图表显得格外清晰锐利。我特别欣赏它在版式编排上的用心。章节标题的字体选择很有讲究,既有现代感又不失学术的严谨性,行距和字间距的调整恰到好处,即便是大段的推导公式也能让人保持相对舒适的阅读节奏。而且,书中大量的插图和示意图,无论是线条的粗细还是色彩的运用都极其考究,它们似乎不仅仅是内容的辅助,更像是艺术品般地嵌入到文字流之中,让复杂的概念在视觉上得以初步的解析。翻阅时能感受到装帧者对细节的极致追求,这种对实体书品质的尊重,在如今这个数字阅读盛行的时代,显得尤为珍贵和令人感动。这本书摆在书架上,本身就是一种对知识的致敬,让人忍不住想时常取下来摩挲一番。

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这本书的阅读体验,很大程度上取决于你希望从中获得什么。如果你期待的是一本可以轻松浏览、快速入门的科普读物,那么你可能会感到沮丧,因为它对读者的智力投入要求很高,需要你持续地保持高度的专注力。然而,如果你将它视为一次思维上的“深度训练”,一次挑战现有认知边界的旅程,那么它的回报将是极其丰厚的。我个人体会最深的是它所培养的一种审视问题的批判性思维。它教会我如何去质疑那些看似理所当然的假设,如何从不同的数学视角去解构同一个物理现实。读完之后,我发现自己看待相关领域的问题时,不再满足于表面上的解释,而是本能地去追问其背后的基本原理和潜在的数学结构。这是一种由内而外的能力提升,让我在处理新的、未曾谋面的复杂问题时,多了一套强大的分析工具箱。这本书,更像是一位严厉但公正的导师,它不会直接给你答案,但会引导你学会如何提问,如何独立地找到通往真理的路径。

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坦率地说,我初次接触这本书时,对其中某些章节的叙事深度感到有些措手不及。作者似乎采取了一种极为“沉浸式”的教学方法,上来就将读者置于一个相当高阶的理论框架内进行探讨。初读之下,那些对于基础物理图像的快速跳跃,让习惯了循序渐进学习模式的我,不得不频繁地停下来,查阅那些我本以为已经掌握的先验知识。这并非是说内容组织混乱,恰恰相反,它的逻辑链条是完整的,只是这个链条的初始环节被处理得极为精炼,仿佛假设读者已经对某些核心概念了如指掌。这种写作风格,无疑会筛选掉一部分初学者,但对于那些已经具备扎实背景,渴望深入探索特定领域前沿的进阶研究者来说,这可能正是一种高效的“直击要害”的路径。我花了大量的时间去消化那些看似轻描淡写却蕴含巨大信息的段落,感觉像是在攀登一座技术壁垒较高的山峰,虽然过程艰辛,但每登上一级,眼前的视野就开阔一分,那种豁然开朗的成就感,是其他教材难以提供的。

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这本书的作者在引用和交叉引证方面展现出了惊人的广度和深度。我发现自己不得不经常使用书签来标记那些提及的外部文献,有些是我熟悉的研究团队,但更多的是一些我过去从未留意到的、但与当前论述息息相关的冷门期刊和会议论文。最有趣的一点是,作者很少采用大段的文字去复述前人的发现,而是用一种近乎对话的方式,将不同的理论流派和实验结果巧妙地串联起来。这使得阅读过程不再是单向的知识灌输,而更像是在参与一场跨越数十年学术历史的深度研讨会。例如,在讨论某个关键效应的理论模型时,作者能瞬间从上世纪中期的奠基性工作,平滑过渡到最近两年刚刚发表的数值模拟结果,这种宏观视野的切换,极大地拓宽了我对该领域演进脉络的理解。它强迫我跳出自己熟悉的舒适区,去审视那些被主流教科书略微边缘化的重要贡献。

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